有机电化学晶体管将生物电子传感器的灵敏度提高了三个数量级

与生物燃料电池（EFC 或 MFC）耦合的 OECT 概述它们具有将电子传递到阳极的生物成分，例如酶或电活性细菌。图片来源：《设备》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714

在一项可能改变生物电子传感领域的重大突破中，莱斯大学的一个跨学科研究团队开发出一种新方法，利用有机电化学晶体管（OECT）大幅提升酶和微生物燃料电池的灵敏度。这项研究近期发表于《设备》杂志。

这种创新方法将电信号放大了三个数量级，还提高了信噪比，这有望催生下一代高灵敏度、低功耗的生物传感器，用于健康监测和环境监测。

“我们展示了一种简单却强大的技术，利用 OECT 放大微弱的生物电子信号，克服了以往将燃料电池与电化学传感器集成时面临的难题。” 该研究的通讯作者拉斐尔・维尔杜斯科说道，他是化学与生物分子工程以及材料科学与纳米工程教授。“这种方法为更通用、更高效的生物传感器开辟了道路，这些传感器可应用于医学、环境监测，甚至可穿戴技术领域。”

传统生物传感器依赖目标生物分子与传感器设备之间的直接相互作用，当电解质环境不兼容时，这种方式会存在局限性。而这项研究通过将燃料电池与 OECT 进行电子耦合，而非直接将生物分子引入传感器，从而避开了这一难题。

“生物电子传感领域最大的障碍之一，就是设计出能在不同化学环境中工作且不影响性能的系统。” 通讯作者卡罗琳・阿乔 - 富兰克林表示。她是生物科学教授、莱斯合成生物学研究所所长，也是德克萨斯州癌症预防与研究所学者。“通过将 OECT 和燃料电池分开，我们在保证两者处于最佳工作条件的同时，还实现了强大的信号放大功能。”

OECT 是一种在水性环境中工作的薄膜晶体管，因其高灵敏度和低电压运行特性而备受关注。在这项研究中，该团队将 OECT 与两种生物燃料电池相结合，以提升其性能。

第一种是酶燃料电池，它利用葡萄糖脱氢酶催化葡萄糖氧化，在此过程中产生电能。第二种是微生物燃料电池，依靠电活性细菌代谢有机底物产生电流。随后，OECT 以阴极栅极和阳极栅极这两种不同配置与燃料电池进行耦合。

研究人员发现，根据配置和燃料电池类型的不同，OECT 能够将酶和微生物燃料电池的信号放大 1000 至 7000 倍不等。这一放大效果远超传统的电化学放大技术，后者通常只能将信号增强 10 到 100 倍。

莱斯大学研究生拉温德拉・萨克塞纳展示了一种用于测量酶和微生物燃料电池的光刻图案 OECT 设备。图片来源：莱斯大学。

研究团队发现，阴极栅极配置的放大效果最佳，尤其是在使用特定聚合物作为通道材料时。阳极栅极配置虽然也有很强的放大能力，但在燃料电池电流较高时会带来潜在问题，在某些情况下甚至会导致不可逆的性能下降。

除了增强信号强度，研究人员还发现 OECT 能降低背景噪声，使测量结果更加精确。传统传感器常受干扰和微弱信号的困扰，而 OECT 能产生更清晰、更可靠的数据。

“我们观察到，借助 OECT，即使燃料电池中发生极其微小的电化学变化，也能转化为易于检测的大幅电信号。” 该研究的共同第一作者、莱斯大学斯莫利 - 库尔研究所应用物理项目的研究生拉温德拉・萨克塞纳说道。“这意味着我们能够比以往更灵敏地检测生物分子和污染物。”

这项技术的实际应用前景广阔。研究团队成功在单块载玻片上展示了该系统的小型化版本，证明这项技术具有可扩展性，可用于便携式生物传感器。

其中最具前景的应用之一是亚砷酸盐检测，这在水安全领域至关重要。该团队通过基因工程改造大肠杆菌，使其具备亚砷酸盐响应性细胞外电子转移途径，借助 OECT 放大的信号，能清晰、准确地检测出低至每升 0.1 微摩尔浓度的亚砷酸盐。

除环境应用外，该系统还有望彻底改变可穿戴健康监测领域，因为该领域对节能且高灵敏度的生物传感器需求极大。例如，利用微生物燃料电池成功实现了对汗液中乳酸的检测，而乳酸是肌肉疲劳的一项指标。

“运动员、患者，甚至士兵都能从实时代谢监测中受益，且无需依赖复杂的高功率电子设备。” 共同第一作者、生物科学系博士后张旭表示。

研究人员强调，了解 OECT 和燃料电池之间的功率动态关系是优化传感器性能的关键，他们识别出两种不同的运行模式。在功率失配模式下，燃料电池产生的功率低于 OECT 所需功率，虽然灵敏度较高，但运行状态更接近短路。相比之下，当燃料电池产生的功率足以驱动 OECT 时，就会进入功率匹配模式，此时读数更稳定、更准确。

“通过对这些相互作用进行微调，我们能够针对不同应用设计专用传感器，从高灵敏度的医学诊断到坚固耐用的环境监测设备都可实现。” 维尔杜斯科说，“我们相信这种方法将改变我们对生物电子传感的认知。这是一种简单、有效且可扩展的解决方案。”

更多信息：拉温德拉・萨克塞纳等人，《使用有机电化学晶体管放大酶和微生物燃料电池》，《设备》（2025 年）。DOI：10.1016/j.device.2025.100714

期刊信息：《设备》
引用：有机电化学晶体管将生物电子传感器灵敏度提高三个数量级（2025 年 2 月 26 日），于 2025 年 3 月 6 日取自https://phys.org/news/2025 - 02 - electrochemical - transistors - bioelectronic - sensor - sensitivity.html

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。